DE102009045309B4 - Method and control device for operating a valve - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben eines mittels eines Aktors (26, 30) betätigten Ventils (18a), insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Aktor (26, 30) mit einer eine Ansteuerdauer (ET) aufweisenden Ansteuergröße (I) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerdauer (ET) in Abhängigkeit eines Sollwerts (t2*) für eine Schließverzugszeit (t2) des Ventils (18a) gebildet wird, die eine zeitliche Differenz zwischen einem Ende (tET1) der Ansteuerdauer (ET) und einem Schließzeitpunkt (ts) des Ventils (18a) charakterisiert, wobei ein Istwert (t2ist) der Schließverzugszeit (t2) ermittelt, insbesondere messtechnisch erfasst, wird, eine Regeldifferenz (Δt2, Δt) zwischen dem Sollwert (t2*) und dem Istwert (t2ist) für die Schließverzugszeit (t2) gebildet wird, und der Sollwert (ET*) für die Ansteuerdauer (ET) in Abhängigkeit der Regeldifferenz (Δt2) modifiziert wird.Method for operating a valve (18a) actuated by an actuator (26, 30), in particular a fuel injection valve of an internal combustion engine (10) of a motor vehicle, in which the actuator (26, 30) has a control variable (I) with a control duration (ET) is controlled, characterized in that the control period (ET) is formed as a function of a setpoint (t2 *) for a closing delay time (t2) of the valve (18a), which is a time difference between one end (tET1) of the control period (ET) and characterized a closing time (ts) of the valve (18a), wherein an actual value (t2actual) of the closing delay time (t2) is determined, in particular recorded by measurement, a control difference (.DELTA.t2, .DELTA.t) between the target value (t2 *) and the actual value (t2actual) ) is formed for the closing delay time (t2), and the setpoint (ET *) for the actuation period (ET) is modified depending on the control difference (Δt2).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines mittels eines Aktors betätigten Ventils, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Aktor mit einer eine Ansteuerdauer aufweisenden Ansteuergröße angesteuert wird.The invention relates to a method for operating a valve actuated by an actuator, in particular a fuel injection valve of an internal combustion engine of a motor vehicle, in which the actuator is controlled with a control variable having a control duration.
Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Ausführung eines derartigen Verfahrens.The invention further relates to a control device for executing such a method.
Verfahren und Steuergeräte der vorstehend genannten Art kommen beispielsweise bei Hochdruck-Einspritzventilen für eine Benzin-Direkteinspritzung zum Einsatz, bei denen eine Bewegung einer Ventilnadel beispielsweise durch das Bestromen eines Magnetkreises gesteuert wird. Der Magnetkreis ist Bestandteil eines elektromagnetischen Aktors, der unter Bestromung eine Magnetkraft auf die Ventilnadel ausübt. Gängige Typen von Hochdruckeinspritzventilen sind so ausgelegt, dass die Bestromung der Magnetspule des elektromagnetischen Aktors ein Öffnen des Einspritzventils, das heißt ein Abheben der Ventilnadel au ihrer Schließlage und ein anschließendes Halten der Ventilnadel an eine ihrer Öffnungslage entsprechenden Hubanschlag bewirkt. Mit dem Bestomungsende erfolgt zunächst in an sich bekannter Weise ein schneller Abbau der Magnetkraft, sodass eine die Ventilnadel in Schließrichtung federkraftbeaufschlagende Schließfeder die Ventilnadel au ihre Schließlage hin beschleunigt. Der Schließvorgang endet, wenn die Ventilnad ihrer Ventilsitz erreicht. Ab diesem Zeitpunkt wirkt die Schließfederkraft nicht mehr beschleunigend auf die Ventilnadel, sondern allein als Dichtkraft, die die Ventilnadel auf Ihren Ventilsitz überträgt.Methods and control devices of the aforementioned type are used, for example, in high-pressure injection valves for gasoline direct injection, in which a movement of a valve needle is controlled, for example, by energizing a magnetic circuit. The magnetic circuit is part of an electromagnetic actuator that exerts a magnetic force on the valve needle when energized. Common types of high-pressure injection valves are designed so that the energization of the solenoid of the electromagnetic actuator causes the injection valve to open, that is to say to lift the valve needle out of its closed position and then to hold the valve needle at a stroke stop corresponding to its open position. At the end of the pollination, the magnetic force is first rapidly reduced in a manner known per se, so that a closing spring that acts on the valve needle in the closing direction accelerates the valve needle toward its closed position. The closing process ends when the valve needle reaches its valve seat. From this point on, the closing spring force no longer acts as an accelerator on the valve needle, but only as a sealing force that transfers the valve needle to your valve seat.
Neben dem Flugverlauf der Ventilnadel und der Hubdrosselkurve des Ventils wird die bei dem vorstehend beschriebenen Ansteuervorgang eingespritzte Kraftstoffmenge hauptsächlich von einer Öffnungsdauer des Ventils bestimmt, also von dem Zeitintervall zwischen dem Abheben der Ventilnadel aus ihrer Schließlage und dem Wiedererreichen ihrer Schließlage.In addition to the flight course of the valve needle and the lift throttle curve of the valve, the fuel quantity injected in the above-described control process is mainly determined by an opening duration of the valve, that is to say by the time interval between the lifting of the valve needle from its closed position and the re-reaching of its closed position.
Üblicherweise ist aber die hydraulische Öffnungsdauer des Ventils nicht direkt in einem das Ventil steuernden Steuergerät bekannt, sondern lediglich eine Ansteuerdauer des die Ventilnadel antreibenden Aktors. Zwischen einem Beginn der Ansteuerdauer und dem tatsächlichen hydraulischen Öffnen des Einspritzventils liegt eine sogenannte Öffnungsverzugszeit, und zwischen einem Ende der Ansteuerdauer und dem tatsächlichen hydraulischen Schließzeitpunkt des Einspritzventils liegt die sogenannte Schließverzugszeit.Usually, however, the hydraulic opening time of the valve is not known directly in a control unit controlling the valve, but rather only a control time of the actuator driving the valve needle. There is a so-called opening delay time between the beginning of the activation period and the actual hydraulic opening of the injection valve, and the so-called closing delay time lies between an end of the activation period and the actual hydraulic closing time of the injection valve.
Diese Verzugszeiten des Ventils sind nicht bekannt, sondern hängen vielmehr von Betriebs- und Einstellparametern des Ventils und weiteren Randbedingungen ab. Insbesondere bei sehr kurzen gewünschten Öffnungsdauern des Ventils, bei denen die Ventilnadel einen ihrer vollständigen Öffnungsposition entsprechenden Hubanschlag gar nicht erreicht, sondern vielmehr eine ballistische Trajektorie vollführt, ist die Zumessgenauigkeit der herkömmlichen Systeme unzureichend.These delay times of the valve are not known, but rather depend on the operating and setting parameters of the valve and other boundary conditions. The metering accuracy of the conventional systems is inadequate in particular in the case of very short desired opening times of the valve, in which the valve needle does not even reach a stroke stop corresponding to its fully open position, but rather performs a ballistic trajectory.
Aus der
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung verbessert Verfahren und Steuergeräte der eingangs genannten Art dahingehend, dass eine präzisere Einspritzung möglich ist.The present invention improves methods and control devices of the type mentioned at the outset in such a way that a more precise injection is possible.
Dies wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Ansteuerdauer in Abhängigkeit eines Sollwerts für eine Schließverzugszeit des Ventils gebildet wird, die eine zeitliche Differenz zwischen einem Ende der Ansteuerdauer und einem Schließzeitpunkt des Ventils charakterisiert.This is achieved according to the invention in a method of the type mentioned at the outset in that the activation period is formed as a function of a setpoint for a closing delay time of the valve, which characterizes a time difference between an end of the activation period and a closing time of the valve.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die Berücksichtigung des Sollwerts für die Schließverzugszeit eine präzisiere Zumessung eines einzuspritzenden Fluids ermöglicht, insbesondere auch in einem Betriebsbereich des Einspritzventils, in dem die Ventilnadel eine im Wesentlichen ballistische Trajektorie vollführt.According to the invention, it has been recognized that consideration of the setpoint for the closing delay time enables a precise metering of a fluid to be injected, in particular also in an operating range of the injection valve in which the valve needle executes an essentially ballistic trajectory.
Es ist vorgesehen, dass ein Istwert der Schließverzugszeit ermittelt, insbesondere messtechnisch erfasst, wird, dass eine Regeldifferenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert für die Schließverzugszeit gebildet wird, und dass der Sollwert für die Ansteuerdauer in Abhängigkeit der Regeldifferenz modifiziert wird.It is provided that an actual value of the closing delay time is determined, in particular measured, that a control difference is formed between the target value and the actual value for the closing delay time, and that the target value for the actuation duration is modified as a function of the control difference.
Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass unter Verwendung eines derartigen Regelkonzepts eine Präzision bei der Einspritzung eines Fluids insbesondere auch im ballistischen Betriebsbereich des Einspritzventils beziehungsweise seiner Ventilnadel wesentlich gesteigert werden kann. Durch die erfindungsgemäße Berücksichtigung der Regeldifferenz, in die auch der Istwert der Schließverzugszeit eingeht, besteht vorteilhaft die Möglichkeit, das Ansteuersignal, insbesondere die Ansteuerdauer, für den Betrieb des Ventils so zu modifizieren, dass auch zeitlich veränderlichen Schließverzugszeiten begegnet werden kann, insbesondere z.B. durch eine Veränderung der eigentlichen (Soll-)Ansteuerdauer des Ventils. Investigations by the applicant have shown that by using such a control concept, a precision in the injection of a fluid can be significantly increased, particularly in the ballistic operating range of the injection valve or its valve needle. By taking into account the control difference according to the invention, which also includes the actual value of the closing delay time, there is advantageously the possibility of modifying the actuation signal, in particular the actuation duration, for the operation of the valve in such a way that time-varying closing delay times can also be countered, in particular, for example, by a Change of the actual (target) control duration of the valve.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren kann vorteilhaft zum Betreiben von Ventilen verwendet werden, bei denen eine durch den Aktor angetriebene Komponente, insbesondere eine Ventilnadel, infolge einer Ansteuerung mit der Ansteuergröße zumindest teilweise eine ballistische Trajektorie vollführt.The operating method according to the invention can advantageously be used to operate valves in which a component driven by the actuator, in particular a valve needle, at least partially performs a ballistic trajectory as a result of activation with the activation variable.
Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Betriebsverfahren bei sogenannten direkt betriebenen Einspritzventilen anwendbar, bei denen ein Aktor, beispielsweise ein elektromagnetischer Aktor, direkt auf die Ventilnadel wirkt, wie es beispielsweise bei Benzin-Direkteinspritzsystemen häufig der Fall ist.The operating method according to the invention can be used particularly advantageously in so-called directly operated injection valves, in which an actuator, for example an electromagnetic actuator, acts directly on the valve needle, as is often the case, for example, in gasoline direct injection systems.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ist ferner auf solche Einspritzventile anwendbar, bei denen ein Aktor, beispielsweise ein elektromagnetischer Aktor, nicht direkt auf die Ventilnadel wirkt, sondern ein Antrieb der Ventilnadel beispielsweise mittels eines zwischen dem elektromagnetischen Aktor und der Ventilnadel angeordneten Steuerventils und einer entsprechenden hydraulischen Wirkungskette erfolgt. Solche Einspritzventile werden derzeit häufig in Common-Rail-Dieseleinspritzsystemen verwendet.The operating method according to the invention can also be applied to those injection valves in which an actuator, for example an electromagnetic actuator, does not act directly on the valve needle, but rather the valve needle is driven, for example, by means of a control valve arranged between the electromagnetic actuator and the valve needle and a corresponding hydraulic action chain , Such injectors are currently widely used in common rail diesel injection systems.
Als ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Steuergerät gemäß Patentanspruch 8 angegeben.A control device according to claim 8 is specified as a further aspect of the present invention.
Von besonderer Bedeutung ist ferner die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms.Also of particular importance is the implementation of the method according to the invention in the form of a computer program.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details emerge from the following description, in which various exemplary embodiments of the invention are illustrated with reference to the drawing. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination.
In der Zeichnung zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit mehreren erfindungsgemäß betriebenen Einspritzventilen, -
2a bis2c schematisch eine Detailansicht eines Einspritzventils aus1 in drei unterschiedlichen Betriebszuständen, -
3a ein Funktionsdiagramm zur Bildung einer Ansteuerdauer gemäß einem herkömmlichen Verfahren, -
3b einen zeitlichen Verlauf von Betriebsgrößen eines herkömmlich betriebenen Einspritzventils, -
4a ein Funktionsdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens, -
4b ein Funktionsdiagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens, und -
5a ,5b ,5c verschiedene Betriebszustände eines ein Steuerventil aufweisenden Einspritzventils zur Ausführung des erfindungemäßen Betriebsverfahrens.
-
1 1 shows a schematic illustration of an internal combustion engine with a plurality of injection valves operated according to the invention, -
2a to2c schematically a detailed view of an injection valve from1 in three different operating states, -
3a -
3b a time course of operating variables of a conventionally operated injection valve, -
4a 2 shows a functional diagram of a first embodiment of the operating method according to the invention, -
4b a functional diagram of a second embodiment of the operating method according to the invention, and -
5a .5b .5c Various operating states of an injection valve having a control valve for executing the operating method according to the invention.
Eine Brennkraftmaschine trägt in
Die
Das Einspritzventil
Dadurch ergibt sich ein zweiteiliges Massensystem
Bei der vorliegend in
Die Ventilnadel
Um eine Kraftstoffeinspritzung zu bewirken, wird der Aktor
Sobald die Bestromung der Magnetspule
Wenn die Ventilnadel
Um besonders geringe Einspritzmengen zu erzielen, wird die Ansteuerdauer zur Bestromung des Aktors
Im Vergleich zu einer Vollhub-Ansteuerung, bei der die Ventilnadel
Zunächst wird zu dem Zeitpunkt tET0 der elektromagnetische Aktor
In einem ersten, beispielsweise mittels eines Kennfelds, realisierten Funktionsblock
Als Störgrößen treten bei der Ansteuerung des Aktors
Aufgrund der Massenträgheit, Reibungseffekte und weiterer Störeffekte beginnt die Ventilnadel
Die Schließverzugszeit t2 ist - wie vorstehend bereits beschrieben - insbesondere für sehr kurze Ansteuerdauern ET nicht konstant Speziell bei dem rein ballistischen Betrieb, bei dem die Ventilnadel
Erfindungsgemäß ist daher vorgeschlagen die Ansteuerdauer ET in Abhängigkeit eines Sollwertes t2* für die Schließverzugszeit t2 des Ventils
Mittels eines ersten Kennfelds KF1 wird in Abhängigkeit der Soll-Einspritzmenge
Erfindungsgemäß wird der Sollwert ET* für die Ansteuerdauer mittels eines Korrekturwertes
Mittels eines zweiten Kennfelds KF2 wird aus den Eingangsgrößen
Mithilfe des Addierers a_2 wird eine Regeldifferenz Δt2 = t2* - t2ist gebildet.With the aid of the adder a_2, a control difference Δt2 = t2 * - t2ist is formed.
Die Regeldifferenz Δt2 wird anschließend in dem Funktionsblock
Der Funktionsblock
An dem Ausgang des Addierers a_3 liegt demzufolge ein Korrekturwert für einen nachfolgenden Einspritzzyklus des Einspritzventils
Das bedeutet, die vorliegend betrachtete Reglerstruktur
Insbesondere sind auch Reglerstrukturen verwendbar mit Proportional-IntegralCharakteristik, Proportional-Charakteristik, oder auch nichtlineare Regler. Wesentlich für die Funktion des erfindungsgemäßen Prinzips ist die Bildung des Korrekturwerts in Abhängigkeit der Regeldifferenz Δt2.In particular, controller structures with proportional-integral characteristics, proportional characteristics, or non-linear controllers can also be used. The formation of the correction value as a function of the control difference Δt2 is essential for the function of the principle according to the invention.
Der dem Addierer a_3 nachgeordnete und vorliegend nicht näher bezeichnete Funktionsblock weist einer besonders bevorzugten Ausführungsform zufolge einen Takteingang auf, dem ein drehzahlsynchrones Taktsignal CLK zugeführt wird, so dass der erfindungsgemäß gebildete Korrekturwert ebenfalls drehzahlsynchron an den Addierer a_1 weitergegeben werden kann.According to a particularly preferred embodiment, the function block downstream of the adder a_3 and not described in more detail here has a clock input to which a speed-synchronous clock signal CLK is supplied, so that the correction value formed according to the invention can also be passed on to the adder a_1 in a speed-synchronous manner.
Die in
Der Addierer a_2 ermittelt anschließend eine zu der bereits vorstehend im Rahmen von
Für die Eingangsgröße Δt gilt:
Für die Gewichtungsfaktoren
Sobald die in den
Besonders bevorzugt wird der Wert des Korrekturfaktors K zwischen 0 und 1 gewählt In Ausnahmefällen ist auch eine Ausdehnung des Wertebereichs auf 0 < K < 2 möglich, wobei der Faktor K die Einschwinggeschwindigkeit des Regelkreises
Für ein schnelles Einschwingverhalten ist ein Wert für K im Bereich von etwa 1 von Vorteil. Bei Bedarf kann die Robustheit des Regelkreises gegenüber Störsignalen durch Absenken des Faktors K erhöht werden. So kann beispielsweise mit einem Wert K = 0,5 eine gesteigerte Robustheit gegenüber Störsignalen erreicht werden, ohne nennenswerte Abstriche in der Regeldynamik des erfindungsgemäßen Reglers
Die erfindungsgemäßen Reglerstrukturen
Vorstehend ist unter Bezugnahme auf den in den
Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei nicht direkt angetriebenen Einspritzventilen, also beispielsweise bei solchen Einspritzventilen verwendet werden, bei denen ein elektromagnetischer Aktor eine Komponente eines Steuerventils betätigt, und bei denen eine im Wesentlichen hydraulische beziehungsweise mechanische Wirkungskette zwischen dem Steuerventil und der Ventilnadel besteht.The method according to the invention can also be used particularly advantageously in the case of injection valves which are not directly driven, that is to say, for example, in those injection valves in which an electromagnetic actuator actuates a component of a control valve and in which there is an essentially hydraulic or mechanical chain of action between the control valve and the valve needle.
Der Raildruck steht auch in dem Kammervolumen
Mit dem Öffnen der Ablaufdrossel
Anschließend, das heißt nach dem Abheben aus dem Ventilnadelsitz, vollführt die Ventilnadel
Sobald der elektromagnetische Aktor
Die Kraftstoffeinspritzung ist beendet, sobald die Ventilnadel
Auch für das in den
Der elektromagnetische Aktor des Einspritzventils
Dementsprechend ergeben sich auch bei dem Einspritzventil
Jedenfalls kann auch für das Einspritzventil
Das erfindungsgemäße Prinzip kann auch gesondert auf das Steuerventil
Generell ist das erfindungsgemäße Prinzip zur Steigerung der Präzision bei der Fluidzumessung mittels insbesondere ballistisch betriebener Einspritzventile geeignet und nicht auf Kraftstoffeinspritzventile beschränkt. Stückstreuungen können durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ebenfalls sehr vorteilhaft kompensiert werden.In general, the principle according to the invention is suitable for increasing the precision in fluid metering by means of in particular ballistic operated injection valves and is not restricted to fuel injection valves. Scattering of pieces can also be compensated very advantageously by using the operating method according to the invention.
Das erfindungsgemäße Regelprinzip ist vorteilhaft auch dann anwendbar, wenn ein Einspritzventil nur zeitweise, d.h. nur in manchen Betriebszyklen, ballistisch betrieben wird.The control principle according to the invention can advantageously also be used if an injection valve is only temporarily, i.e. is operated ballistically only in some operating cycles.
Die Ermittlung der tatsächlichen Schließverzugszeit t2ist (
Sensordaten separater Sensormittel wie z.B. Körperschallsensoren oder Beschleunigungssensoren können ebenfalls ausgewertet werden, um Informationen über einen tatsächlichen Betriebszustand von Komponenten
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